4-inch藍寶石圖形襯底上GaN基白光LED制備及表征

朱友華，劉 軒，王美玉，李 毅

(南通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226019)

1 引 言

GaN基半導(dǎo)體材料作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，可以通過改變Ⅲ族原子(In,Al,Ga)之間的比例使禁帶寬度從0.7～6.2 eV連續(xù)可調(diào)，覆蓋了紫外-可見-紅外區(qū)域，外加具有直接帶隙半導(dǎo)體材料特征，并且有高度的物理和化學(xué)穩(wěn)定性、高電子飽和速度、較好的介電常數(shù)以及良好的導(dǎo)熱性能，因此GaN基半導(dǎo)體材料在光學(xué)器件方面的應(yīng)用更加廣泛，是優(yōu)異的光電代表材料之一[1-5]。同時，被譽為“第四代照明光源”的全固態(tài)白光發(fā)光二極管(Light emitting diode，LED)與傳統(tǒng)白熾燈、熒光燈和高強度氣體放電燈相比，有著巨大的優(yōu)勢。其發(fā)光效率高，使用壽命長，響應(yīng)時間短，工作電壓低，應(yīng)用范圍廣，是一種典型的綠色環(huán)保光源[6-9]。目前，白光LED以光色劃分主要通過以下3種方式實現(xiàn)。其一是將發(fā)出3種顏色即Red-Green-Blue(RGB)光的芯片封裝在一起混合成白光[10]；其二，通過紫外光激發(fā)RGB熒光粉混合成白光[11]；其三，即目前最常用的白光LED制作方式，則是采用藍光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉合成白光[12]。由于該熒光粉被激發(fā)的黃光與LED芯片所發(fā)出的藍光光譜非常匹配，相對于前兩種方法，其光子能量轉(zhuǎn)化效率較高，抗輻射能力強，發(fā)光效率高，光電性能穩(wěn)定且成本最低，具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)[13]。

本文主要是通過藍光LED激發(fā)Ce摻雜YAG黃色熒光粉的封裝方式產(chǎn)生白光，并制備對應(yīng)芯片，簡要介紹了其外延和工藝以及封裝流程。同時，在對外延片進行結(jié)構(gòu)與材料特性分析基礎(chǔ)上，對白光芯片進行電學(xué)與光學(xué)特性表征，并對各實驗結(jié)果加以分析討論，最后得出具有關(guān)聯(lián)性的結(jié)論。

2 實 驗

在德國AIXTRON公司生產(chǎn)的 MOCVD機臺上生長 GaN基藍光LED外延片，其主要外延結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，由下到上依次在4-inch藍寶石圖形襯底上生長緩沖層、n型氮化鎵層、有源區(qū)以及p型氮化鎵層。其中有源區(qū)發(fā)光層為9個周期的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱，每個周期對應(yīng)壘及阱層厚度分別為12 nm和3 nm。將生長后的外延片進行芯片的標準工藝流片，從而形成n電極與p電極。其主要工藝步驟為：清洗、光刻、刻蝕、電子束蒸鍍、鈍化層生長、電極退火和后續(xù)的研磨拋光以及切割裂片等。具體實驗參數(shù)可參考文獻[14]，其詳細的工藝流程如圖1(b)所示。

圖1 (a)LED外延結(jié)構(gòu)圖；(b)工藝流程圖。

本研究中芯片加工后所切割裂片的芯片尺寸為10 mil×28 mil，進而再對芯片進行簡要封裝。封裝后白光LED的發(fā)光原理如圖2所示，即在芯片上直接均勻涂抹YAG熒光粉，其目的就是通過藍光激發(fā)熒光粉發(fā)出黃光與藍光芯片本身發(fā)出的藍光混合而成白光。最后采用環(huán)氧樹脂將其封裝成白光LED芯片。此外，外延片生長后通過原子力顯微鏡(AFM)和激光測量儀(Nanometrics，激發(fā)波長為266 nm)對樣品進行結(jié)構(gòu)分析表征。芯片封裝后在常溫及直流電流下采用Cascade探針臺以及iHR320單色儀等儀器進行電學(xué)(I-V)與光學(xué)(EL)特性表征。

圖2 白光LED發(fā)光原理圖

3 結(jié)果與討論

采用AFM觀察外延片的表面，其掃描范圍分別為1 μm×1 μm、3 μm×3 μm以及5 μm×5 μm。如圖3所示，可以清晰地觀察到該樣品表面非常平滑，在1 μm×1 μm和3 μm×3 μm兩種掃描范圍內(nèi)均有原子層臺階狀的表面形貌，無明顯表面異物、缺陷及V型凹坑。其均方根粗糙度分別為0.13，0.46，0.34 nm，說明該樣品在1 μm×1 μm范圍內(nèi)有更好的表面形貌，但不是隨著掃描范圍的增加，粗糙度變大。圖3(c)的粗糙度相比(b)反而變小，推測可能是受到其上表面異物等影響。

圖3 3種掃描范圍的AFM表面形貌。(a)1 μm×1 μm；(b)3 μm×3 μm；(c)5 μm×5 μm。

通過白光反射光譜測得外延片厚度mapping圖如圖4(a)所示，外延片厚度分布總體比較均勻，但由于受到襯底圖形及腔體內(nèi)部氣流的影響，從細節(jié)上來看由中間(5.05 μm)向周邊(3.50 μm)逐漸減小，平均厚度5.225 μm。另外，基于激光測量儀測得外延片的PL譜如圖4(b)所示。從圖中可以得出其峰值波長為442 nm，所對應(yīng)的光子能量為0.094 eV，半峰全寬為14.8 nm，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計預(yù)期的藍光范疇。

此外，將工藝流片后的樣品通過YAG熒光粉及環(huán)氧樹脂的初步封裝后置入Cascade探針臺測得其I-V特性，如圖5所示。從圖中可以看出電流在0～50 mA范圍內(nèi)，電壓從2.7 V增加到3.6 V，而在該范圍之外電流不隨電壓的變化而變化，由此得出白光芯粒的開啟電壓為2.7 V，限流電壓為3.6 V。同時，從圖5可以看出白光芯粒的出光功率(L)隨著電流增加而不斷上升，其出光功率是利用圖6(a)所示的EL譜，在不同電流下分別對400～700 nm波長范圍內(nèi)積分求得。由于其測試時輸入電流的限流范圍設(shè)定為50 mA，因此下述的電致發(fā)光譜(EL)也主要在該電流范圍內(nèi)加以分析。

圖4 (a)外延片厚度mapping圖；(b)PL譜。

圖5 封裝后白光LED的I-V和I-L特性

白光LED芯片在不同電流下的EL譜如圖6(a)所示，其中Is為強度，λ為波長。在10～50 mA注入電流下，EL譜含有兩個主要的發(fā)光峰：分別是位于440 nm處的藍光峰及540 nm處的黃綠光峰。圖6(a)中的插圖是本實驗初步封裝后的白光LED小芯粒，EL與PL譜在藍光峰位上體現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的高度一致性。隨著電流的增加，藍光與黃綠光的熒光強度均不斷增大，熒光強度增大表明短波長的藍光吸收效率和熒光量子效率都比較高，因此導(dǎo)致短波長黃綠光熒光峰更強[15]。圖6(b)表示在10～50 mA電流注入下，白光芯粒EL譜的藍光和黃綠光兩種峰值波長變化圖。隨著注入電流的增加，藍光峰位由10 mA的439.5 nm藍移到40 mA的437.5 nm，接著開始紅移；黃綠光峰位由10 mA的534 nm紅移到30 mA的534.5 nm，接著再藍移至40 mA的534 nm后再次紅移。藍光峰的藍移是由其物理性質(zhì)引起，如圖6(b)插圖所示，由于極化場的存在導(dǎo)致能帶傾斜，當(dāng)電流增加時，注入的載流子屏蔽了極化電場，使得能帶傾斜得以緩和，從態(tài)重疊空間上載流子復(fù)合產(chǎn)生光子的能量變大。同時也有可能受能帶填充的影響，導(dǎo)致導(dǎo)帶與價帶的能量間距增加發(fā)生藍移[14]。而之后的紅移與黃綠光峰的紅移類似，在小電流注入下芯片可能受到熱效應(yīng)的影響，導(dǎo)致禁帶寬度減少，波長紅移；隨著注入電流的增加，推測受到競爭機制的影響，量子限制斯塔克效應(yīng)的作用大于芯片熱效應(yīng)的作用，波長藍移；同時由于封裝后芯片尺寸過小，受生長結(jié)構(gòu)與封裝工藝的影響，在電流繼續(xù)增大后芯片熱效應(yīng)占主要作用，波長紅移。其色坐標、色溫及顯色指數(shù)的變化將在后續(xù)研究中再進行探討。

圖6 封裝后白光LED的EL譜以及電流與兩種發(fā)光峰值波長的關(guān)系。(a)不同注入電流下的發(fā)光強度，插圖為封裝后白光LED小芯粒；(b)不同注入電流下藍光與黃綠光峰值變化，插圖為極化電場作用下的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

4 結(jié) 論

本研究主要驗證了在藍寶石圖形襯底上生長GaN基藍光LED，并利用YAG黃色熒光粉封裝成白光LED，對其結(jié)構(gòu)與性能進行了相關(guān)表征。AFM表明外延片生長及表面形貌良好，無明顯缺陷；PL譜測得其峰值波長為442 nm；I-V特性得出其開啟與限流電壓分別為2.7 V和3.6 V；EL譜顯示其在10～50 mA注入電流下分別有藍光與黃綠光發(fā)光峰，即合成所設(shè)計的預(yù)期白光。而隨著注入電流的增加，藍光峰位先藍移后紅移，黃綠光峰位先紅移后藍移再紅移。總之，通過對相關(guān)實驗數(shù)據(jù)分析與討論，進一步驗證了該GaN基白光LED芯片得以成功制備。